AT397513B - AMPEROMETRIC ENZYME ELECTRODE - Google Patents

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AT397513B AT248592A AT248592A AT397513B AT 397513 B AT397513 B AT 397513B AT 248592 A AT248592 A AT 248592A AT 248592 A AT248592 A AT 248592A AT 397513 B AT397513 B AT 397513B
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Description

AT 397 513 BAT 397 513 B

Die Erfindung betrifft eine amperometrische Enzymelektrode zur Messung der Konzentration eines Enzymsubstrates in einer Probe mit einem auf bzw. in einem elektrisch leitenden, porösen Elektrodenmaterial immobilisierten bzw. adsorbierten Enzym, wobei das Elektrodenmaterial einen redoxinaktiven Leiter mit ‘ einem leitfähigen Pigment und einem selbst nicht leitenden Bindemittel und eine darin fein verteilte katalytische Substanz aufweist.The invention relates to an amperometric enzyme electrode for measuring the concentration of an enzyme substrate in a sample with an enzyme immobilized or adsorbed on or in an electrically conductive, porous electrode material, the electrode material comprising a redox-inactive conductor with a conductive pigment and a non-conductive binder and has a finely divided catalytic substance therein.

Die Substratbestimmung durch amperometrischen Biosensoren bzw. Enzymelektroden auf Basis der Wasserstoffperoxidmessung mit immobilisierten Oxidoreduktasen ist Gegenstand einer großen Anzahl von Patenten und Publikationen und spielt in der biochemischen Sensorik eine nicht unerhebliche Rolle. Bei der Messung von Substraten wie z. B. Glucose in Körperflüssigkeiten (Blut, Serum, interstitielle Flüssigkeit und Ham) stellt sich das Problem der Interferenzen. So verfälschen viele redoxaktive Metabolite und Medikamente wie z. B. p-Acetamol, Ascorbat, Harnsäure u. a. die Substratbestimmung nach diesem Meßprinzip erheblich bzw. machen diese sogar unmöglich.The determination of substrates by amperometric biosensors or enzyme electrodes based on hydrogen peroxide measurement with immobilized oxidoreductases is the subject of a large number of patents and publications and plays a not inconsiderable role in biochemical sensors. When measuring substrates such. B. glucose in body fluids (blood, serum, interstitial fluid and ham) raises the problem of interference. For example, many redox-active metabolites and drugs adulterate. B. p-acetamol, ascorbate, uric acid and the like. a. the substrate determination according to this measuring principle considerably or even make it impossible.

In der EP 0 247 850 Al wird eine Unterdrückung dieser Interferenzen durch den Einsatz von Elektroden erzielt, bei denen fein verteilte Partikel der Platinmetalle auf der Oberfläche einer porösen Schicht bestehend aus Graphit und einem porösen polymeren Bindemittel aufgebracht sind. Durch diese Maßnahme wird die Zersetzungsspannung von H2O2, die ohne Verwendung von Katalysatoren bei > 600 mV liegt, drastisch d. h. unter 400 mV reduziert. Da die Zersetzungsspannung für die redoxaktiven Störsubstanzen nur minimal reduziert wird, kommt es zu einer deutlichen Unterdrückung der Interferenzen.EP 0 247 850 Al suppresses these interferences by using electrodes in which finely divided particles of the platinum metals are applied to the surface of a porous layer consisting of graphite and a porous polymeric binder. By this measure, the decomposition voltage of H2O2, which is used at > 600 mV is drastically d. H. reduced below 400 mV. Since the decomposition voltage for the redox-active interfering substances is only minimally reduced, the interference is significantly suppressed.

Die Aufbringung der Platinpartikeln erfolgt in der Regel elektrochemisch durch Redox-Reaktionen bzw. kann durch Besputterung bewerkstelligt werden. Für die Herstellung von Elektroden nach dem Prinzip der Dickschichttechnik bedeuten diese Aufbringungsarten mitunter eine kostenintensive Prozeßmodifizierung.The platinum particles are generally applied electrochemically by redox reactions or can be accomplished by sputtering. For the manufacture of electrodes according to the principle of thick-film technology, these types of application sometimes mean a cost-intensive process modification.

Wasserstoffperoxid zerfällt autoxidativ in Wasser und Sauerstoff. Bei Raumtemperatur ist die Zerfallsgeschwindigkeit allerdings unmeßbar klein, kann jedoch beispielsweise durch Metalle der Platingruppe katalysiert werden.Hydrogen peroxide automatically breaks down into water and oxygen. At room temperature, however, the rate of decay is immeasurably slow, but can be catalyzed by platinum group metals, for example.

Wie aus der EP 0 247 850 Al hervorgeht, katalysieren die Platinmetalle den autoxidativen Zerfall von H2O2. wobei bei der für die H202-Bestimmung relevanten Reaktion (1) eine Verschiebung der Zersetzungsspannung E0 von &gt; 0,6 V auf &lt; 0,4 V erfolgt Η2θ2&lt;—&gt;2H+ + 2e' + 02 (1)As can be seen from EP 0 247 850 Al, the platinum metals catalyze the autoxidative decomposition of H2O2. wherein in the reaction (1) relevant for the H202 determination, a shift in the decomposition voltage E0 of &gt; 0.6 V on &lt; 0.4 V occurs Η2θ2 <-> 2H + + 2e '+ 02 (1)

Durch die hohe Leitfähigkeit der Platinmetallpartikel sind bei diesem Elektrodentyp Katalysator und Ableitelektrode identThe high conductivity of the platinum metal particles means that the catalyst and lead electrode are identical for this type of electrode

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von eingangs beschriebenen Enzymelektroden eine amperometrische Enzymelektrode vorzuschlagen, welche kostengünstig und einfach herzustellen ist, und auch bei der Herstellung nach dem Prinzip der Dickschichttechnik keine Probleme aufwirftThe object of the present invention is to propose, starting from the enzyme electrodes described at the outset, an amperometric enzyme electrode which is inexpensive and simple to produce and which also does not pose any problems during production using the principle of thick-film technology

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die katalytische Substanz des Elektrodenmaterials ein stabiles Oxid oder Oxidhydrat eines Übergangselementes der vierten Periode des Periodensystems der Elemente ist, welches in den redoxinaktiven Leiter eingebettet ist Überraschenderweise wurde entdeckt daß die für den autoxidaven Zerfall relevanten Katalysatoren der genannten Oxide bzw. Oxidhydrate, welche im Vergleich zu den Edelmetallen schlechte Leiter bzw. Isolatoren sind, die Oxidation von H2O2 gemäß obiger Gleichung (1) ebenfalls beeinflussen, d. h. EQ erniedrigen und somit auch zur Interferenzunterdrückung herangezogen werden können.This object is achieved according to the invention in that the catalytic substance of the electrode material is a stable oxide or hydrated oxide of a transition element of the fourth period of the periodic table of the elements, which is embedded in the redox-inactive conductor. Surprisingly, it was discovered that the catalysts of the oxides mentioned which are relevant for the autoxidative decay or oxide hydrates, which are poor conductors or insulators in comparison to the noble metals, also influence the oxidation of H2O2 according to equation (1) above, d. H. Lower EQ and can therefore also be used to suppress interference.

Als katalytische Substanz kann somit an Stelle eines Edelmetalls erfindungsgemäß zumindest ein Material aus der Gruppe Mn02, FeOOH, Fe^O^, Fe203, Cr203 oder V2O5 verwendet werden.Instead of a noble metal, at least one material from the group MnO 2, FeOOH, Fe ^ O ^, Fe203, Cr203 or V2O5 can thus be used as the catalytic substance according to the invention.

Zwei beispielhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sehen vor, daß das Elektrodenmaterial Partikel der katalytischen Substanz, vorzugsweise Mn02. und Aktivkohlepartikel aufweist, oder daß das Elektroden· material Aktivkohlepartikel aufweist, an deren Oberfläche die katalytische Substanz, vorzugsweise Mn02, fein verteilt vorliegt, wobei die Partikel jeweils durch ein mit Graphitpulver versetztes Polymerbindemittel zu einem porösen Gefüge verbunden sind.Two exemplary embodiments of the invention provide that the electrode material particles of the catalytic substance, preferably Mn02. and has activated carbon particles, or that the electrode material has activated carbon particles, on the surface of which the catalytic substance, preferably MnO 2, is present in finely divided form, the particles being connected to a porous structure by a polymer binder mixed with graphite powder.

Durch innige Vermengung von z. B. Mangandioxid mit Graphit in einer im Bezug auf das Polymerbindemittel überfüllten (d. h. geringer Bindemittelanteil) Elektrodenmasse wird der an sich als Isolator wirkende Katalysator durch Kontaktieren der Oberfläche mit einer Unzahl von Graphitpartikelbrücken, beziehungsweise durch Aufbringung in feinverteilter Form auf Aktivkohle quasi leitend gemacht Dabei soll erfindungsgemäß das Verhältnis der pulver- bzw. partikelförmigen Komponenten des Elektrodenmaterials zum Polymerbindemittel mindestens 2:1 betragen.By intimately mixing z. B. manganese dioxide with graphite in an overfilled with respect to the polymer binder (ie low binder content) electrode mass, the catalyst acting as an insulator is made quasi conductive by contacting the surface with a myriad of graphite particle bridges, or by application in finely divided form on activated carbon According to the invention, the ratio of the powdery or particulate components of the electrode material to the polymer binder is at least 2: 1.

Durch das Überfüllen hat das Polymerbindemittel lediglich Partikelkittfunktion, das resultierende Elektrodenmaterial zeichnet sich durch eine hohe Porosität und somit durch eine große aktive Oberfläche aus.Due to the overfilling, the polymer binder only has a particle cement function, the resulting electrode material is characterized by a high porosity and thus by a large active surface.

Zur Herstellung des Elektrodenmaterials wird z. B. Mn02-Pulver mit Graphit bzw. mit Aktivkohle undTo produce the electrode material, for. B. Mn02 powder with graphite or with activated carbon and

Graphit sowie mit einem Polymerbindemittel zu einer Paste verarbeitet, deren Film nach Abdunsten des -2-Graphite and with a polymer binder processed into a paste, the film of which evaporates after the -2-

AT397513B Lösungsmittels eine mehr oder weniger poröse Struktur und somit eine große aktive Oberfläche besitzt. Ferner kann z. B., MnC&gt;2 durch geeignete Redoxreaktionen auf Aktivkohle gefällt und das resultierende Pulver analog des reinen Manganoxids mit Graphit und Polymerbindemittel in eine siebdruckfähige Paste verarbeitet werden.AT397513B solvent has a more or less porous structure and thus has a large active surface. Furthermore, e.g. B., MnC &gt; 2 precipitated by suitable redox reactions on activated carbon and the resulting powder can be processed into a screen-printable paste analogously to the pure manganese oxide with graphite and polymer binder.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Enzymelektrode wird unter der Verwendung von Braunstein (Mangan(IV)oxid) als Elektrokatalysator näher beschrieben. Die nachfolgend beschriebene Bestimmung von H2O2 neben den oben angeführten Störsubstanzen wurde bei physiologischen pH-Werten durchgeführt.The production of an enzyme electrode according to the invention is described in more detail using manganese dioxide (manganese (IV) oxide) as an electrocatalyst. The determination of H2O2 described below in addition to the above-mentioned interfering substances was carried out at physiological pH values.

Beispiele (Herstellung des Elektrodenmaterialsl 1) 20 Gewichtsteile Mangan(IV)oxid gepulvert werden mit 100 Gewichtsteilen Graphitpaste (z. B. Elektrodag 4233 SS der Firma AchesonCoÜoiden B. V. Scheenda/Niederlande) vermengt und in einer Kugelmühle zu einer homogenen Paste aufgeschlossen. 2) 10 Gewichtsteile Mangandioxid sowie 10 Teile Aktivkohle werden analog Beispiel 1 mit 100 Gewichtsteilen Graphitpaste vermischt. 3a) Fällung von Mangan(TV)oxid auf Aktivkohle: 10 g Aktivkohle werden in 100 ml lnNaOH suspendiert und kurzzeitig bis zum Sieden erhitzt. Nach dem Abkühlen wird die Suspension in eine Lösung bestehend aus 1 g KMnC^, und 500 ml ln.NaOH gegossen. Unter Rühren wird solange Natriumsulfit gelöst in Wasser zugesetzt, bis sich die Lösung entfärbt hat 3b) Fällung von MnC&gt;2 durch Synproportionierung gemäß Gleichung (2). 2λ4η04· + 3Μη3+ + 40Η'—&gt;5Mn02 + 2H20 (2) 10 g Aktivkohle werden in 200 ml ln.NaOH suspendiert und kurzzeitig zum Sieden erhitzt. Nach Abkühlen wird die Suspension in eine Lösung bestehend aus 0.2 g KMn04 und 200 ml Wasser eingetragen undExamples (preparation of the electrode material 1) 20 parts by weight of manganese (IV) oxide powder are mixed with 100 parts by weight of graphite paste (e.g. Elektrodag 4233 SS from AchesonCoÜoiden B.V. Scheenda / Netherlands) and broken down into a homogeneous paste in a ball mill. 2) 10 parts by weight of manganese dioxide and 10 parts of activated carbon are mixed as in Example 1 with 100 parts by weight of graphite paste. 3a) Precipitation of manganese (TV) oxide on activated carbon: 10 g activated carbon are suspended in 100 ml lnNaOH and briefly heated to boiling. After cooling, the suspension is poured into a solution consisting of 1 g KMnC ^ and 500 ml ln.NaOH. Sodium sulfite dissolved in water is added with stirring until the solution has decolorized. 3b) Precipitation of MnC> 2 by synproportionation according to equation (2). 2λ4η04 · + 3Μη3 + + 40Η '- &gt; 5Mn02 + 2H20 (2) 10 g activated carbon are suspended in 200 ml ln.NaOH and briefly heated to boiling. After cooling, the suspension is introduced into a solution consisting of 0.2 g KMn04 and 200 ml water and

mit einer verdünnten ManganQOQ-Lösung solange versetzt, bis Entfärbung eintritLwith a diluted ManganQOQ solution until decolourization occurs

Die gemäß Beispiel 3a) und 3b) erzeugten MnC^-Aktivkohle-Gemische werden abfiltriert, mit desL Wasser gründlich gewaschen und bei 100 °C getrocknet 10 Teile dieser Fällungen werden mit je 50 Gewichtsteilen Graphitpaste verrührt und in einer Kugelmühle analog Beispiel 1) verarbeitetThe MnC ^ activated carbon mixtures produced according to Examples 3a) and 3b) are filtered off, washed thoroughly with water and dried at 100 ° C. 10 parts of these precipitates are mixed with 50 parts by weight of graphite paste and processed in a ball mill analogously to Example 1)

ElektrodenpräparationenElectrode preparations

Die vorliegenden Elektrolytmaterialien werden jeweils in Form eines 1.5 x 8 mm bzw. 2x1 mm großen rechteckigen Feldes auf eine mit Silberleitbahnen bedruckte Plexiglasplatte via Siebdruckverfahren aufgebracht, und die blanken Oberflächen der Silberleitbahnen mit einem Isolierlack abgedecktThe present electrolyte materials are each applied in the form of a 1.5 x 8 mm or 2x1 mm rectangular field to a plexiglass plate printed with silver conductive tracks using a screen printing process, and the bare surfaces of the silver conductive tracks are covered with an insulating varnish

Zur weiteren Unterdrückung von Interferenzen eingangs genannter redoxaktiver Metabolite kann das Elektrodenmaterial der erfindungsgemäßen Enzymelektrode eine probenseitige Deckschicht oder eine in den Poren des Elektrodenmaterials vorliegende Sperrschicht aufweisen, welche aus einem polyionischen Polymer bestehtTo further suppress interference of the redox-active metabolites mentioned at the outset, the electrode material of the enzyme electrode according to the invention can have a sample-side cover layer or a barrier layer which is present in the pores of the electrode material and which consists of a polyionic polymer

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das polyionische Polymer aus polykationischen Polymeren, Polykationen bildenden Polymeren oder aus Polymeren besteht, welche sowohl positive als auch negative, kovalent gebundene Gruppen aufweisen, wobei beispielsweise das polykationische Polymer Aminogruppen sowie quarternäre Ammoniumgruppen trägt, oder das sowohl positive als auch negative Gruppen tragende Polymer ein Biopolymer, vorzugsweise ein Protein ist.According to the invention it is provided that the polyionic polymer consists of polycationic polymers, polycation-forming polymers or of polymers which have both positive and negative, covalently bonded groups, for example the polycationic polymer carrying amino groups and quaternary ammonium groups, or both positive and negative Group-bearing polymer is a biopolymer, preferably a protein.

Zum Zwecke der Interferenzstudien wurden Elektrodenflächen, die aus der Paste nach Beispiel 1) gefertigt . wurden, beispielsweise mit polyionischen Polymeren wie Nafion®*), Albumin oder PoIyethylenimin/-Albu-min im Verhältnis 2:1 beschichtet und die albuminhältigen Beschichtungen nachträglich mit Glutaidialdehyd vernetzt.For the purpose of the interference studies, electrode surfaces were made from the paste according to Example 1). were coated, for example with polyionic polymers such as Nafion® *), albumin or polyethylenimine / -Albu-min in a ratio of 2: 1, and the albumin-containing coatings were subsequently crosslinked with glutaidialdehyde.

Elektroden, die entsprechend Beispiel 3a) bzw. 3b) gefertigt wurden, wurden sowohl direkt als auch nach der Beschichtung mit perfluoriertem Nafion® (Firma Aldrich-Chemie, Steinheim/BRD), mit 0.2 μΐ einer 5%igen Glucoseoxidase(GOD)Lösung beschichtet und durch Vernetzung im Glutardialdehyddampf (30 Minuten bei Raumtemperatur) immobilisiert. *) semipermeable Membran auf der Basis von Poly(perfluoralkylen)-sulfonsäure).Electrodes that were produced in accordance with Example 3a) or 3b) were coated with 0.2 μl of a 5% glucose oxidase (GOD) solution both directly and after coating with perfluorinated Nafion® (company Aldrich-Chemie, Steinheim / FRG) and immobilized by crosslinking in glutardialdehyde vapor (30 minutes at room temperature). *) semipermeable membrane based on poly (perfluoroalkylene) sulfonic acid).

Messungen:Measurements:

Die Messung der einzelnen Parameter erfolgt potentiostatisch als Gegenelektrode (Kathode) fungiert eine Ag/AgCl-Elektrode.The individual parameters are measured potentiostatically as an counter electrode (cathode), an Ag / AgCl electrode acts.

Durch Variation der angelegten Spannung wurden die für die jeweilige Elektrode optimalen Bedingungen eruiert. -3-The optimal conditions for the respective electrode were determined by varying the applied voltage. -3-

AT397 513BAT397 513B

Als Referenzsysteme wurden Pt-Blech, Edelmetall-Aktivkohle-Graphitelektroden sowie eine reine Graphitelektrode vermessen.Pt sheet metal, precious metal activated carbon graphite electrodes and a pure graphite electrode were measured as reference systems.

Die Gold-Kohleelektrode wurde durch Mischen von Aktivkohle, welche 5 % kolloidal verteiltes, durch einen Redoxprozeß aus Goldchlorid abgeschiedenes Gold enthält, analog Beispiel 1 hergestellt. Die Ruthenium-Kohleelektrode wurde analog präpariert, das Ruthenium wurde jedoch via Ruthenium 5 % auf Aktivkohle in die Elektrodenmasse eingebrachL Platinisierter Kohlenstoff wurde gemäß GB 2191 003 B (Η. P. Benetto et al.) präpariert und in Form eines 1.5 x 8 mm großen Elektrodenplättchens ausgetestet.The gold-carbon electrode was produced analogously to Example 1 by mixing activated carbon, which contains 5% colloidally distributed gold, which was separated from gold chloride by a redox process. The ruthenium carbon electrode was prepared analogously, but the ruthenium was introduced into the electrode mass via ruthenium 5% on activated carbon L Platinized carbon was prepared in accordance with GB 2191 003 B (Η. P. Benetto et al.) And in the form of a 1.5 x 8 mm Electrode plate tested.

Weiters wurde das Elektrodenmaterial variiert, indem analog Beispiel 1 Mn02 durch FejO·}, Fe^O^, FeOOH, sowie ν20^ ersetzt wurde.Furthermore, the electrode material was varied by replacing Mn02 with FejO ·}, Fe ^ O ^, FeOOH, and ν20 ^ as in Example 1.

Als Testmedien wurden H202 (1.0,2.0 und 5.0 mM), Ascorbat, p-Acetamol, Urat (jeweils 1.0 mM) sowie Glucose (2.5, 5.0. 10.0 mM), alle gelöst in Standard A (ISE-Elektrolyt der Fa. AVL MEDICAL INSTRUMENTS, pH = 7.38 sowie physiologisch relevanter ionaler Hintergrund) verwendet; als Referenz wurde ebenfalls Standard A eingesetzt.H202 (1.0, 2.0 and 5.0 mM), ascorbate, p-acetamol, urate (each 1.0 mM) and glucose (2.5, 5.0, 10.0 mM), all dissolved in standard A (ISE electrolyte from AVL MEDICAL INSTRUMENTS, pH = 7.38 and physiologically relevant ionic background) are used; Standard A was also used as a reference.

Gemessen wurde der Strom in Abhängigkeit von den einzelnen Parametern. In Tabelle I werden Mn02-Elektroden den Edelmetallelektroden (Au/C, Ru/C, Pt-Blech sowie platinisierter Kohlenstoff) sowie einer reinen Graphitelektrode in puncto optimale Spannung, Änderung des Stromflusses ΔI (μΑ) bei Variation der Konzentration des redoxaktiven Analyten (H202) bzw. der Störer gegenübergestellt, sowie die H202-Konzentration angegeben, die den Stromfluß bei Voriiegen von 1 mM interferierender Substanz entspricht Bei dieser Messerie weisen die Elektroden keine polyionische Deckschicht auf.The current was measured depending on the individual parameters. In Table I, Mn02 electrodes are the noble metal electrodes (Au / C, Ru / C, Pt sheet and platinized carbon) as well as a pure graphite electrode in terms of optimal voltage, change in the current flow ΔI (μΑ) with variation of the concentration of the redox-active analyte (H202 ) or the interferer, as well as the H202 concentration, which corresponds to the current flow in the presence of 1 mM interfering substance. In this measurement, the electrodes have no polyionic cover layer.

Tabelle I ΔΙ(μΑ) bei Wechsel Std. A-Analytlösung H202-Konzentration entspricht 1 mM Elektroden- h2o2 h2o2 Ascor- p Aceta- Urat Ascor- pAce- Arbeits- mat 1 mM 5 mM bat 1 mM mol 1 mM bat tamol Urat Span nung Mn02/C gemäß 1 -10.0 423 - 7.0 - 2.0 -3.0 0.7 01 03 350 2 -11.0 -47.0 -15 - 1.9 -21 0.68 0.17 01 350 3a - 5.5 -25.0 - 31 - 0.9 -13 038 0.16 013 350 3b -61 -29.0 -4.0 - 1.3 -2.0 0.64 010 032 350 Au/C -0.65 - 1.65 -15.7 - 5.8 -3.4 24.2 8.90 513 500 Ru/C - 3.0 - 8.6 - 7.0 - 4.4 -2.0 233 1.46 0.66 400-500 Pt-Blech -16 - 5.5 - 6.0 - 1.0 •0.6 230 0.38 013 450-500 platinisierter Kohlenstoff - 6.0 -32 - 3.0 0.0 -25 03 0 0.41 350 Graphit -0.1 - 015 -12.0 a O o 4.0 121 100 40 600Table I ΔΙ (μΑ) when changing hourly A-analyte solution H202 concentration corresponds to 1 mM electrodes - h2o2 h2o2 Ascor- p Aceta- urate Ascor- pAce- working mat 1 mM 5 mM bat 1 mM mol 1 mM bat tamol urate span Mn02 / C according to 1 -10.0 423 - 7.0 - 2.0 -3.0 0.7 01 03 350 2 -11.0 -47.0 -15 - 1.9 -21 0.68 0.17 01 350 3a - 5.5 -25.0 - 31 - 0.9 -13 038 0.16 013 350 3b -61 -29.0 -4.0 - 1.3 -2.0 0.64 010 032 350 Au / C -0.65 - 1.65 -15.7 - 5.8 -3.4 24.2 8.90 513 500 Ru / C - 3.0 - 8.6 - 7.0 - 4.4 -2.0 233 1.46 0.66 400-500 Pt sheet -16 - 5.5 - 6.0 - 1.0 • 0.6 230 0.38 013 450-500 platinized carbon - 6.0 -32 - 3.0 0.0 -25 03 0 0.41 350 graphite -0.1 - 015 -12.0 a O o 4.0 121 100 40 600

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigen Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer amperometrischen Enzymelektrode nach der Erfindung, Fig. 2 und Fig. 3 Details aus Fig. 1, Fig. 4 eine Anordnung γοη Enzymelektroden, Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie (V * V) in Fig. 4, sowie die Fig. 6a, 6b, 7a bis 7c und 8 Meßdiagramme mit erfindungsgemäßen Enzymelektroden.The invention is explained in more detail below with the aid of drawings. FIG. 1 shows a schematic sectional illustration of an amperometric enzyme electrode according to the invention, FIG. 2 and FIG. 3 show details from FIG. 1, FIG. 4 shows an arrangement γοη enzyme electrodes, and FIG. 5 shows an arrangement Section along line (V * V) in Fig. 4, as well as Figs. 6a, 6b, 7a to 7c and 8 measurement diagrams with enzyme electrodes according to the invention.

Gemäß Fig. 1 ist auf einem Träger (1) eine metallisch leitende Schicht (2), z. B. eine Silberleitbahn, aufgebracht, auf der sich ein elektrokatalytisches, poröses Elektrodenmaterial (4) befindet, sowie die darüber -4-1, a metallically conductive layer (2), for. B. a silver interconnect, applied on which there is an electrocatalytic, porous electrode material (4), and the above it -4-

AT 397 513 B angeordnete permeationsselektive Deckschicht (5) angedeutet ist Eine Isolierschicht (3) verhindert einen direkten Kontakt zwischen der Probe und der leitenden Schicht (2).AT 397 513 B arranged permeation-selective cover layer (5) is indicated. An insulating layer (3) prevents direct contact between the sample and the conductive layer (2).

Das Elektrodenmaterial (4) weist ein poröses Gefüge auf und besteht aus Aktivkohlepartikel (10) und Partikel (9) einer katalytischen Substanz, beispielsweise Mangandioxidpartikel (linke Seite von Fig. 1) bzw. aus Aktivkohlepartikeln (11), an deren Oberfläche die katalytische Substanz feinst verteilt vorliegt (rechte Seite von Fig. 1). Die einzelnen Partikel (9), (10) und (11) werden durch ein Bindemittel (8) verkittet, in welchem sich als leitfähiges Pigment (8') Graphitpulver befindet. Die katalytische Substanz aus einem Oxid oder Oxidhydrat eines Übergangselementes der vierten Periode ist somit in einem redoxinaktiven Leiter aus einem Bindemittel (8) mit einem leitfähigen Pigment (8') eingebettet. In den Poren (12) des Elektrodenmaterials (4) ist das Enzym (13), beispielsweise Glucoseoxidase, adsorbtiv gebunden bzw. durch Vernetzung chemisch fixiert.The electrode material (4) has a porous structure and consists of activated carbon particles (10) and particles (9) of a catalytic substance, for example manganese dioxide particles (left side of FIG. 1) or of activated carbon particles (11), on the surface of which the catalytic substance finely distributed (right side of Fig. 1). The individual particles (9), (10) and (11) are cemented by a binder (8) in which graphite powder is present as the conductive pigment (8 '). The catalytic substance made of an oxide or hydrated oxide of a transition element of the fourth period is thus embedded in a redox-inactive conductor made of a binder (8) with a conductive pigment (8 '). In the pores (12) of the electrode material (4), the enzyme (13), for example glucose oxidase, is bound by adsorption or chemically fixed by crosslinking.

Die als permeationsselektive Interferenzsperrschicht fungierende Deckschicht (5) besteht aus einem linearen bzw. vernetzten globulären Polymergerüst (6), an dem positiv geladene Gruppen kovalent gebunden vorliegen. Aufgrund der Elektroneutralitätsbeziehung sind diese gebundenen Kationen mittels austauschbaren kleinen negativen Gegenionen (elektrostatisch fixierte Anionen (7')) ladungskompensiert.The cover layer (5) functioning as a permeation-selective interference barrier layer consists of a linear or cross-linked globular polymer structure (6) to which positively charged groups are covalently bound. Due to the electroneutrality relationship, these bound cations are charge compensated by means of exchangeable small negative counterions (electrostatically fixed anions (7 ')).

Die in den Poren (12) des porösen Elektrodenmaterials (4) ablaufenden chemischen bzw. elektrochemischen Reaktionen sind schematisch in den Fig. 2 und 3 dargestellt.The chemical or electrochemical reactions taking place in the pores (12) of the porous electrode material (4) are shown schematically in FIGS. 2 and 3.

In Fig. 2 werden ein MnÜ2-Partikel (9) über Graphitpartikel (8') kontaktiert, welche mit einem Polymerbindemittel (8) zusammengekittet sind. In Fig. 3 sind die MnC^-Partikel (9) fein verteilt an die Aktivkohlepartikel (10) angelagert. Mit (13) ist das Enzym, beispielsweise Glucoseoxidase, gekennzeichnet.In Fig. 2 an MnÜ2 particle (9) is contacted via graphite particles (8 ') which are cemented together with a polymer binder (8). In Fig. 3, the MnC ^ particles (9) are finely distributed on the activated carbon particles (10). The enzyme, for example glucose oxidase, is identified by (13).

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Elektrodenanordnung, bei welcher auf einem Träger (1), beispielsweise einer Plexigasplatte mit Silberleitbahnen (2), das Elektrodenmaterial (4) in Form von 1,5 x 8 mm bzw. 2 x 1 mm großen rechteckigen Feldern aufgebracht wird. Die blanken Oberflächen der Silberleitbahnen können mit einer Isolierschicht (3) abgedeckt sein.4 and 5 show an electrode arrangement in which on a carrier (1), for example a plexigas plate with silver conductive tracks (2), the electrode material (4) in the form of 1.5 x 8 mm or 2 x 1 mm rectangular Fields is applied. The bare surfaces of the silver conductive tracks can be covered with an insulating layer (3).

Tabelle Π zeigt den Einfluß polyionischer Elektrodenbeschichtungen auf die Interferenzunterdrückung an einer Mn02-Graphitelektrode.Table Π shows the influence of polyionic electrode coatings on the interference suppression on an Mn02 graphite electrode.

Tabelle H OPTIMALE Cjj202 (111¾ entspricht 1 mM ARBEITSSPANNUNG Elektrode Ascorbat p Acetamol Urat (mV) MnÜ2/C gemäß Beispiel 1 0.7 0.2 0.3 350 + Nafion perfluoriert (Aldrich) 0.09 0.07 0.21 340 - 350 + Polyethylenimin/ Albumin 2: 1-m-Glutardial-dehyd 3D-vemetzt 0.21 0.08 0.07 350 + Protein (Rinderserumalbumin mit Glutaldehyd 3 Dl vernetzt 0.1 0.15 0.05 350Table H OPTIMALE Cjj202 (111¾ corresponds to 1 mM WORKING VOLTAGE electrode ascorbate p acetamol urate (mV) MnÜ2 / C according to example 1 0.7 0.2 0.3 350 + Nafion perfluorinated (Aldrich) 0.09 0.07 0.21 340 - 350 + polyethyleneimine / albumin 2: 1-m- Glutardial-dehyd 3D cross-linked 0.21 0.08 0.07 350 + protein (bovine serum albumin cross-linked with glutaldehyde 3 Dl 0.1 0.15 0.05 350

Die Fig. 6a und 6b zeigen den Stromfluß I (μΑ) versus Konzentration C (mM) der redoxaktiven Parameter (o = H202, x = p. Acetatamol, + = Ascorbat · = Urat) gemessen an einer Mn02-Graphitelektrode (a) sowie an einer aus platinisiertem Kohlenstoff präparierten Elektrode (b).6a and 6b show the current flow I (μΑ) versus concentration C (mM) of the redox-active parameters (o = H202, x = p. Acetate amol, + = ascorbate · = urate) measured on an Mn02 graphite electrode (a) and on an electrode prepared from platinized carbon (b).

In den Fig. 7a bis 7c ist der Stromfluß I (μΑ) versus Konzentration C (mM) der redoxaktiven Parameter -5-7a to 7c the current flow I (μΑ) versus concentration C (mM) of the redox-active parameters -5-

AT397513B (gleiche Parameter wie Hg. 6a, 6b) gemessen an einer Mn02-Graphitelektrode (a und b) sowie an platinisierten Kohlenstoff (c) aufgetragen. Die Elektroden sind wie folgt modifiziert;AT397513B (same parameters as Hg. 6a, 6b) measured on an Mn02 graphite electrode (a and b) and on platinized carbon (c). The electrodes are modified as follows;

a = Mn02/C-Nafion®-GODa = Mn02 / C-Nafion®-GOD

b = Mn02/C-GOD A &gt;b = Mn02 / C-GOD A &gt;

c = platinisierter Kohlenstoff-Nafion -GODc = platinized carbon Nafion -GOD

Fig. 8 zeigt den Stromfluß I (μΑ) bei einer Spannung von 350 mV versus Glucosekonzentration bei einer optimierten erfmdungsgemäßen Elektrode, bei der die permselektive Schicht auf die das Enzym beinhaltende Elektrodenschicht gemäß Fig. 1 aufgebracht ist. Die Funktion Strom versus Glucosekonzentration ist im Bereich von 0 bis 250 mg/dl (12,5 mM) linear.8 shows the current flow I (μ () at a voltage of 350 mV versus glucose concentration with an optimized electrode according to the invention, in which the permselective layer is applied to the electrode layer according to FIG. 1 containing the enzyme. The function of current versus glucose concentration is linear in the range from 0 to 250 mg / dl (12.5 mM).

Erfindungsgemäß kann das polyionisierte Polymer auch als Bindemittel für die pulver· bzw. partikel-förmigen Elektrodenkomponenten fungieren.According to the invention, the polyionized polymer can also act as a binder for the powdery or particle-shaped electrode components.

Schließlich kann das poiyionische Polymer das Enzym immobilisiert oder adsorbiert enthalten.Finally, the polyionic polymer can contain the enzyme immobilized or adsorbed.

Die Messungen mit den erfindungsgemäßen Elektroden haben gezeigt, daß Mn02-Graphit-Elektroden in puncto Verschiebung der Zersetzungspannung ein dem platinisierten Kohlenstoff analoges Verhalten zeigen, d. h. in Bezug auf Elektrokatalyse ebenbürtig sind. Erstaunlich ist, daß eine derartige starke Verschiebung weder bei Platinblech noch bei Ruthenium- bzw. Gold-Aktivkohle-Graphitelektroden beobachtet werden kann.The measurements with the electrodes according to the invention have shown that MnO 2 graphite electrodes show a behavior analogous to the platinized carbon in terms of shifting the decomposition voltage, i. H. are equal in terms of electrocatalysis. It is surprising that such a strong shift cannot be observed either with platinum sheet or with ruthenium or gold activated carbon graphite electrodes.

Bei den in der Tabelle I nicht ausgewiesenen Eisen-, Chrom- und Vanadium-oxid-Graphitelektroden (Herstellung analog Beispiel 1 der Mn02-Kohleelektrode) konnte ein im Vergleich zu Mn02 wesentlich schwächere Verschiebung der Zersetzungsspannung beobachtet werden, wobei folgende Reihenfolge auffiel: Mn02 &gt; FeOOH &gt; Fe^O^ &gt; Fe^^-gebrannt &gt; Cr2Og, &gt; FejO^-mineralisch (Hämatit).In the case of the iron, chromium and vanadium oxide graphite electrodes not shown in Table I (production analogous to Example 1 of the Mn02 carbon electrode), a significantly weaker shift in the decomposition voltage was observed compared to Mn02, the following sequence being noted: Mn02 &gt; FeOOH &gt; Fe ^ O ^ &gt; Fe ^^ - burned &gt; Cr2Og, &gt; FejO ^ - mineral (hematite).

Wie aus der Tabelle I ebenfalls ersichtlich ist, nimmt mit der Verschiebung der Zersetzungsspannung auch die Interferenzunterdrückung zu.As can also be seen from Table I, the interference suppression also increases with the shift in the decomposition voltage.

Bezüglich der Aufbringung bzw. Einbringung polyionischer Polymere hat sich ergeben, daß die anionischen Interferenten (Ascorbat, Urat sowie der dissoziierte Anteil von p. Acetamol) z. B. durch Beziehen der Elektrode mit einer polyanionischen Deckschicht durch elektrostatische Abstoßung an der Wanderung zur Anode gehindert werden.With regard to the application or incorporation of polyionic polymers, it has been found that the anionic interferents (ascorbate, urate and the dissociated portion of p. Acetamol) z. B. by covering the electrode with a polyanionic cover layer by electrostatic repulsion to prevent the migration to the anode.

Aus Tabelle Π ist ersichtlich, daß dieser Effekt nicht nur durch Polymere mit negativ geladenen Gruppen sondern auch durch überwiegend positiv geladene Polymere aber auch durch generell polyionische Polymere erzielt werden kann. In diesem Fall scheint weniger die elektrostatische Barriere an der Grenzfläche zwischen Polymer und Probenmedium sondern vielmehr der Ionentauscheffekt solcher Polymere (Absenken der Diffusionsrate in Polymerfilm durch permanentes Ad- bzw. Desorbieren der Störionen beim Durchtritt) analog der Ionentausch-Chromatographie eine Rolle zu spielen. Im Falle von Proteinsperrschichten tritt somit bei den unter physiologischen Bedingungen vollständig dissoziierten Störern eine deutliche Interferenzunterdrückung auf.From table ersichtlich it can be seen that this effect can be achieved not only by polymers with negatively charged groups but also by predominantly positively charged polymers but also by generally polyionic polymers. In this case, the electrostatic barrier at the interface between the polymer and the sample medium seems less to play a role than the ion exchange effect of such polymers (lowering the diffusion rate in the polymer film through permanent adsorption or desorption of the interfering ions when passing through) analogous to the ion exchange chromatography. In the case of protein barrier layers, a clear interference suppression thus occurs in the interferers which are completely dissociated under physiological conditions.

Tabelle ΙΠ sowie die Fig. 7a - 7c und 8 zeigen, daß im Bezug auf die H202 und Glucose-Messung bei der erfmdungsgemäßen Elektrode im Vergleich zur Edelmetallkatalyse eine zum Teil bessere Interferenzunterdrückung gewährleistet ist. (Es folgt Tabelle ΙΠ) -6-Table ΙΠ as well as FIGS. 7a-7c and 8 show that, in relation to the H202 and glucose measurement in the electrode according to the invention, a partially better interference suppression is ensured in comparison with the noble metal catalysis. (Table ΙΠ follows) -6-

Claims (11)

AT 397 513 B Tabelle ΠΙ • mM Glucose entspricht 1 mM Elektrode Ascorbat P Acetamol Urat MnC^/C + Glucoseoxidase immobilisiert + 1 + 0.7 + 0.5 Mn02/C + Nation® + Glucoseoxidase immobilisiert -2.0 +02 0 Platiniserter Kohlenstoff + Nation® + Glucoseoxidase immobilisiert 0 + 5 -4 PATENTANSPRÜCHE 1. Amperometrische Enzymelektrode zur Messung der Konzentration eines Enzymsubstrates in einer Probe mit einem auf bzw. in einem elektrisch leitenden, porösen Elektrodenmaterial immobilisierten bzw. adsorbierten Enzym, wobei das Elektrodenmaterial einen redoxinaktiven Leiter mit einem leitfähigen Pigment und einem selbst nicht leitenden Bindemittel und eine darin fein verteilte katalytische Substanz aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Substanz (9) des Elektrodenmaterials (4) ein stabiles Oxid oder Oxidhydrat eines Übergangselementes der vierten Periode des Periodensystems der Elemente ist, welches in den redoxinaktiven Leiter eingebettet ist.AT 397 513 B table ΠΙ • mM glucose corresponds to 1 mM electrode ascorbate P acetamol urate MnC ^ / C + glucose oxidase immobilized + 1 + 0.7 + 0.5 Mn02 / C + Nation® + glucose oxidase immobilized -2.0 +02 0 platinized carbon + Nation® + Glucose oxidase immobilizes 0 + 5 -4 PATENT CLAIMS 1. Amperometric enzyme electrode for measuring the concentration of an enzyme substrate in a sample with an enzyme immobilized or adsorbed on or in an electrically conductive, porous electrode material, the electrode material being a redox-inactive conductor with a conductive pigment and a non-conductive binder and a finely divided catalytic substance therein, characterized in that the catalytic substance (9) of the electrode material (4) is a stable oxide or hydrated oxide of a transition element of the fourth period of the periodic table of elements, which is in the redox-inactive conductor is embedded. 2. Enzymelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Substanz (9) des Elektrodenmaterials (4) aus zumindest einem Material aus der Gruppe Μηθ2&gt; FeOOH, Fe^O^, F^Oj, oder V2O5 besteht.2. enzyme electrode according to claim 1, characterized in that the catalytic substance (9) of the electrode material (4) from at least one material from the group Μηθ2 &gt; FeOOH, Fe ^ O ^, F ^ Oj, or V2O5. 3. Enzymelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial (4) Partikel (9) der katalytischen Substanz, vorzugsweise Mn02, und Aktivkohlepartikel (10) aufweist, welche durch ein mit Graphitpulver (8') versetztes Polymerbindemittel (8) zu einem porösen Gefüge verbunden sind.3. Enzyme electrode according to claim 1 or 2, characterized in that the electrode material (4) particles (9) of the catalytic substance, preferably Mn02, and activated carbon particles (10), which with a graphite powder (8 ') mixed polymer binder (8) are connected to a porous structure. 4. Enzymelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial (4) Aktivkohlepartikel (10) aufweist, an deren Oberfläche die katalytische Substanz (9), vorzugsweise Mn02, fein verteilt vorliegt, wobei die Aktivkohlepartikel (10) durch ein mit Graphitpulver (8') versetztes Polymer· bindemittel (8) zu einem porösen Gefüge verbunden sind.4. Enzyme electrode according to claim 1 or 2, characterized in that the electrode material (4) has activated carbon particles (10), on the surface of which the catalytic substance (9), preferably Mn02, is present in finely divided form, the activated carbon particles (10) having a Graphite powder (8 ') mixed polymer binder (8) are connected to form a porous structure. 5. Enzymelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der pulver-bzw. partikelförmigen Komponenten (8', 9,10) des Elektrodenmaterials (4) zum Polymerbindemittel (8) mindestens 2:1 beträgt5. enzyme electrode according to one of claims 1 to 4, characterized in that the ratio of the powder or. particulate components (8 ', 9, 10) of the electrode material (4) for the polymer binder (8) is at least 2: 1 6. Enzymelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial (4) eine probenseitige Deckschicht (5) oder eine in den Poren (12) des Elektrodenmaterials (4) vorliegende Sperrschicht aufweist, welche aus einem polyionischen Polymer besteht -7- AT 397 513 B6. Enzyme electrode according to one of claims 1 to 5, characterized in that the electrode material (4) has a sample-side cover layer (5) or in the pores (12) of the electrode material (4) present barrier layer, which consists of a polyionic polymer - 7- AT 397 513 B 7. Enzymelektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das polyionische Polymer aus polykationischen Polymeren, Polykationen bildenden Polymeren oder aus Polymeren besteht, welche sowohl positive als auch negative, kovalent gebundene Gruppen aufweisen.7. enzyme electrode according to claim 6, characterized in that the polyionic polymer consists of polycationic polymers, polycation-forming polymers or of polymers which have both positive and negative, covalently bonded groups. 8. Enzymelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polykationische Polymer Aminogruppen sowie quaternäre Ammoniumgruppen trägt.8. enzyme electrode according to claim 7, characterized in that the polycationic polymer carries amino groups and quaternary ammonium groups. 9. Enzymelektrode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das sowohl positive als auch negative Gruppen tragende Polymer ein Biopolymer, vorzugsweise ein Protein ist. 109. Enzyme electrode according to claim 7, characterized in that the polymer carrying both positive and negative groups is a biopolymer, preferably a protein. 10th 10. Enzymelektrode nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das polyionische Polymer als Bindemittel (8) für die pulver- bzw. partikelförmigen Elektrodenkomponenten (8', 9,10) fungiert10. Enzyme electrode according to one of claims 7 to 9, characterized in that the polyionic polymer acts as a binder (8) for the powdery or particulate electrode components (8 ', 9,10) 11. Enzymelektrode nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das polyionische Polymer das Enzym (13) immobilisiert oder adsorbiert enthält 20 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -8-11. Enzyme electrode according to one of claims 7 to 10, characterized in that the polyionic polymer immobilizes or adsorbs the enzyme (13) contains 20 of which 3 sheets of drawings -8-
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